熱二極管熱管熱二極管的特點

1)熱二極管在進入正常工作狀態(tài)前存在一個啟動階段.此階段的加熱段溫度表現(xiàn)為突然躍升和急劇下降,而冷凝段溫度則幾乎不變.整個啟動約在3min內完成,啟動性能令人滿意 .

2)熱二極管正常工作時具有良好的等溫性,能夠在小溫差下傳遞大量的熱.同時也是衡量工作性能優(yōu)劣的指標之一.

3)熱二極管壁面溫度隨著輸入功率的增加而呈現(xiàn)升高趨勢.當加熱段溫度出現(xiàn)明顯躍升時,可認為已達到了熱二極管的傳熱極限.此時輸出功率不會隨著輸入功率的增加而提高.

熱二極管蒸發(fā)段內主要進行的是管內對流沸騰換熱,其內部傳熱過程包括兩相流動和相變傳熱。

B.Jiao和L.M.Qiu ]等人指出閉式熱虹吸管蒸發(fā)段液池內存在自然對流蒸發(fā)與核態(tài)沸騰蒸發(fā)兩種換熱模式。在低熱流密度時主要是前者,高熱流密度時則以核態(tài)沸騰蒸發(fā)為主。G.F.Tang和D.Liu 等學者則討論了分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱特征,并指出分離式熱管蒸發(fā)段是一均勻受熱管,管內呈汽液兩相流動。兩相雙向熱二極管蒸發(fā)段的換熱模式類似于分離式熱管。但由于其工作時處于傾斜狀態(tài),管內工質流型、換熱強度均與熱虹吸管和分離式熱管有所區(qū)別。

當充液率大于30%時,熱二極管蒸發(fā)段內主要進行的是核態(tài)沸騰換熱。

熱二極管冷凝段內,假定飽和蒸汽沒有不凝性氣體,豎直管內主要進行的是汽液混流的凝結換熱過程。對于高度不大、熱流密度較低、工質能夠浸潤管內壁面的情況下,可以認為冷凝段的傳熱方式是飽和蒸汽的層流膜狀凝結換熱,可采用Nusselt豎壁層流膜狀凝結理論來計算冷凝段平均換熱系數(shù)。

影響重力式熱二極管傳熱能力的因素很多,其中包括傾斜角度、工質充液率、工質的物理性質等。

熱二極管在一定傾斜角度下工作時,其傳熱效率高低一般與工質液體沖刷運動的頻率和沖刷距離有關。沖刷頻率越高,沖刷距離越遠,則傳熱效率越高。

朱玉琴 和Kanji分別通過實驗得出相同結論:分離式熱管和熱虹吸管換熱系數(shù)先隨傾角的增大而增加,在傾角為16~18°時達到最大值,19°以后有所下降。廣東工業(yè)大學張仁元教授等人 則認為,兩相雙向熱二極管加熱段傾角在熱二極管導通后對傳熱影響相當小,它主要影響達到穩(wěn)定導熱所需的絕熱段傾角大小。

重力式熱二極管工質充液率的大小,也會很大程度影響其傳熱性能。充液率過大,汽液混和物容易進入冷凝段,加大冷凝段熱阻,降低系統(tǒng)傳熱性能;充液量過小,則容易出現(xiàn)極度干涸現(xiàn)象,引起傳熱惡化。

T.Payakaruk等人對一根內徑為7.5mm,工質為R123的熱虹吸管進行了實驗。結果表明,在一定傾角范圍,充液率為50%時傳熱效果最好。天津大學王一平 等人對銅-R22的分離式熱管實驗研究表明,其合理充液率為80%~100%。文獻 則認為充液率大小只對熱二極管達到導通狀態(tài)所需的絕熱段傾角大小有影響。充液量越小,要達到導通狀態(tài)的絕熱段傾角就越大。

工質的熱物理性質,如汽化潛熱、熱穩(wěn)定性、導熱率、汽液相粘度等都會影響熱二極管的傳熱性能。

江蘇理工大學魏琪 等人對純水工質和水-甲醇混合工質的熱虹吸管進行了對比實驗。結果表明,混合工質熱管的壁溫高于純工質熱管的壁溫。Mehmet Esen等國外學者通過實驗,研究了R-134a、R407C、R410A這三種不同工質對兩相閉式熱虹吸管太陽能熱水器傳熱性能的影響。結果表明,分別充注這三種工質的裝置最高集熱效率依次為48.72%,49.43%和50.84%。R410A之所以表現(xiàn)出較好的傳熱性能,主要因為其具有較高的汽化潛熱和熱導率,以及較低的粘性系數(shù)。

由于熱二極管具有結構簡單、傳熱效率高等特點,其在國民經濟建設各領域都得到了一定程度的應用。

矩形回路式兩相雙向熱二極管概念最早由K.Chen提出 。W.Chun等國外學者則把這一概念與建筑一體化相結合。兩根矩形熱二極管分別安置于集熱板和輻射散熱板之間,其中作為蒸發(fā)段的水平部分焊接在涂有黑色涂層的集熱板上,而作為冷凝段的水平部分則焊接在冷凝散熱平板上。水平管和傾斜管用可旋轉的聯(lián)軸節(jié)連接,以實現(xiàn)垂直方向上的高低位置調節(jié)。

白天,調節(jié)蒸發(fā)段低于冷凝段,通過工質吸收室外熱量汽化,并在冷凝段凝結放熱,把熱量從室外帶至室內,使得室內溫暖舒適;晚上,調節(jié)蒸發(fā)段高于冷凝段,由于室內溫度高于室外,熱二極管處于反向截止狀態(tài),可阻斷室內熱能向外散失,使得室內不至于太冷,從而達到保溫目的。該系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單、控制方便、可實現(xiàn)雙向傳熱或截止傳熱。

Khalifa 等人研制了一種新型的分離式熱管太陽灶。該裝置由1m的平板集熱器、銅-丙酮分離式熱管和一個與之相連的烹調箱組成。熱二極管蒸發(fā)段置于有三層玻璃的平板集熱器內,黑色銅皮緊壓在蒸發(fā)段上以增大吸熱面積。集熱器底部填充有15mm厚玻璃棉以作隔熱層。外壁絕熱的烹調箱內設置有一淺油池,熱二極管冷凝段沉浸其中。工作原理是工質在蒸發(fā)段內吸熱汽化,經上升管進入冷凝段凝結放熱,并通過油池(傳熱介質)傳遞熱量給炊具。經測試,該太陽灶總能量利用率可達到19%。

該裝置優(yōu)點是結構簡單,安裝方便,且不需對太陽進行跟蹤,相對于傳統(tǒng)式太陽灶可省去手動調節(jié)的麻煩。但缺點是冷凝段換熱面積較小,且由于熱管內蒸汽與冷凝回流液運動方向相反,存在攜帶現(xiàn)象,會造成傳熱能力的削弱。

太陽能熱二極管熱水器系統(tǒng)由平板集熱器和置于集熱器背部的儲水箱組成。集熱器采光面積為1.8m,主要部件包括單層低鐵玻璃、帶選擇性吸收涂層翅片板的熱二極管,以及耐熱保溫棉。熱水箱是一個直徑為40cm的圓柱形容器,熱二極管冷凝段沉浸其中。工質通過在蒸發(fā)段吸收太陽輻射能汽化后,在冷凝段凝結放出熱量,從而加熱儲水箱內的水。系統(tǒng)在不同的蒸發(fā)段和水箱溫差下的工作效率:當溫差為18℃、20℃、27℃時,工作效率分別為0.39、0.51、0.60。該系統(tǒng)優(yōu)點是集熱效率較高,瞬時效率最高可達63%;結構簡單,無運動部件;具有較好的防凍性能。缺點是啟動時間較長,工質流動阻力較大。